08 CERAMICOS

Escuela profesional de ingeniería civil

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO FACULTAD DE ING. CIVIL. ARQUITECTURA Y URBANISMO ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL

MONOGRAFÍA: CERÁMICOS CURSO: MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN ESTUDIANTES:

CÓDIGO:

-MAMNI QUENTA DAVID Y.

162051

-SUCA MENDOZA KEVIN ANDERSON

163188

-QQUELCCA CHURATA HEBERT F.

161964

-LARICO VILCA JUAN JAVIER

162050

DOCENTE: Ing. YASMANI T. VITULAS QUILLE

SEMESTRE: III “A” PUNO – PERÚ 2017


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Contenido

MATERIALES CERÁMICOS ........................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN............................................................................................................ 3 TIPO DE SUSTANCIA ................................................................................................... 3 ESTRUCTURA CRISTALINA ....................................................................................... 3 PROPIEDADES ............................................................................................................... 4 CLASIFICACIÓN............................................................................................................ 4 APLICACIONES. ............................................................................................................ 5 1. EVOLUCIÓN DE LA CERÁMICA ........................................................................... 6 2 CERÁMICAS TRADICIONALES Y DE INGENIERÍA........................................... 10 3.PROPIEDADES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS ........................................ 16 4.PROCESOS DE FABRICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS ............. 18 5.PROCESO PARA VIDRIOS CERAMICOS .............................................................. 22 6.PROCESOS PARA CERAMICOS DE PRODUCTOS DE ARCILLA ..................... 23 7.CONCLUSIONES....................................................................................................... 28


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MATERIALES CERÁMICOS INTRODUCCIÓN Los materiales cerámicos son compuestos químicos inorgánicos o soluciones complejas, constituidos por elementos metálicos y no metálicos unidos entre sí principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes; con gran aplicación en alfarería, construcción, utensilios de cocina, dispositivos eléctricos... Esta gran versatilidad de aplicaciones se deben a que poseen propiedades muy características que no pueden ser obtenidas con ningún otro material.

TIPO DE SUSTANCIA Son compuestos inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos. Su enlace puede ser iónico o covalente. Presenta estructura cristalina.

ESTRUCTURA CRISTALINA Un gran número de materiales cerámicos poseen estructuras típicas como la estructura del NaCl, de blenda (ZnS) y de fluorita (CaF 2). Sin embargo la mayoría de los cerámicos tienen estructuras cristalinas más complicadas y variadas. Entre estas estructuras podríamos destacar las más importantes como son: Estructura perovskita (CaTiO3). Ejemplo: BaTiO3, en la cual los iones de bario y oxigeno forman una celda unidad cúbica centrada en las caras con los iones bario en los vértices de la celda unidad, y los iones oxido en el centro de las caras, el ión titanio se situará en el centro de la celda unidad coordinado a seis iones oxigeno. Estructura del corindón (Al2O3). Es similar a una estructura hexagonal compacta; sin embargo, a cada celda unidad están asociados 12 iones de metal y 18 de oxigeno. Estructura de espinela (MgAl2O4). Donde los iones oxigeno forman un retículo cúbico centrado en las caras y los iones metálicos ocupan las posiciones tetraédricas u octaédricas dependiendo del tipo de espinela en particular. Estructura de grafito. Tiene una estructura hexagonal compacta. 

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PROPIEDADES 

PROPIEDADES MECÁNICAS

Son duros y frágiles a temperatura ambiente debido a su enlace iónico/covalente (al aplicarles una fuerza los iones de igual carga quedan enfrentados provocando la rotura del enlace),este echo supone una gran limitación en su número de aplicaciones. Esta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones. Son deformables a elevadas temperaturas ya que a esas t emperaturas se permite el deslizamiento de bordes de grano. 

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

No suelen presentar propiedades magnéticas, sin embargo podemos encontrar cerámicas con propiedades magnéticas de gran importancia como ferritas y granates. Éstas son las llamadas cerámicas ferrimagnéticas. En estas cerámicas los diferentes iones tienen momentos magnéticos distintos, esto conduce a que al aplicar un campo magnético se produzca como resultado una imantación neta. 

PROPIEDADES ELÉCTRICAS

Son en su mayoría aislantes eléctricos debido a que tienen una alta resistencia dieléctrica y baja constate dieléctrica. Algunos de ellos presentan otras propiedades dieléctricas como es la facilidad de polarizarse. 

PROPIEDADES TÉRMICAS

La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes. La diferencia de energía entre la banda de covalencia y la banda de conducción en estos materiales es demasiado grande como para que se exciten muchos electrones hacia la banda de conducción, por este echo son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta resistencia al calor son usados como refractarios, y estos refractarios son utilizados en las industrias metalúrgicas, químicas cerámicas y del vidrio.

CLASIFICACIÓN 

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Materiales cerámicos tradicionales: 1. Arcilla 2. Sílice 3. Feldespato Materiales cerámicos de uso específico en ingeniería: 1. Oxido de aluminio 2. Carburo de silicio 3. Nitruro de silicio


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APLICACIONES Fabricación de productos de alfarería, debido a su dureza y resistencia al calor. Losetas térmicas (trasbordadores espaciales), por su baja conductividad térmica. Fabricación de materiales de construcción (ladrillos, cemento, azulejos, baldosas, etc.), por su dureza y baja conductividad térmica y eléctrica. Aislantes en aparatos electrónicos. Materiales refractarios, por su punto de fusión tan elevado. Sirven para pulir o afilar otros materiales de menor dureza debido a su gran dureza. Ejemplos: alúmina fundida y carburo de silicio. Vidrio.

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CONCLUSIONES Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos, no metálicos formados por elementos metálicos y no metálicos unidos primariamente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. En general, la mayoría de los materiales cerámicos son típicamente duros y quebradizos con poca resistencia a los impactos y a la ductilidad. Los cerámicos cuentan con importantes propiedades eléctricas y térmicas con importantes aplicaciones en la industria.


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1. EVOLUCIÓN DE LA CERÁMICA Para un mejor entendimiento del tema dividiremos la evolución de la cerámica en tres períodos: • el preindustrial, • el de la revolución industrial y • el de la actual revolución científico-técnica. 1.1. Tecnologías primitivas

Nada se sabe de los comienzos de la alfarería, excepto que surgió de forma independiente en varios lugares. La diferencia entre la cerámica de una cultura y de otra están dadas por el tipo de materia prima usada y por la técnicas de cocción que podían ser a fuego abierto (la más primitiva), en pozos o, más elaborada en hornos primitivos, siendo la leña el combustible universal utilizado. La alfarería sin cocción ya se conocía en el año 7000 a. A.C. y la modalidad cocida parece datar del año 4500 a A.C. Poco después surgen las primeras figuras de barro cocidas, con sentido re- ligioso o lúdico y los grandes recipientes de cerámica que se utilizaban como urnas funerarias.

Gracias a los restos de cerámicos que los arqueó- logos encontraron, pudieron seguir la huella de las primitivas civilizaciones. La alfarería, tal como se encuentra en Egipto, Asia menor, Creta, Grecia y el Nuevo Mundo contaba de utensilios blandos pocos cocidos y muy frágiles. Hasta el principio de la era cristiana, en China no se dispuso de hornos para cocción a altas temperaturas que permi- ten la obtención de gres mucho más resistente. Este material


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sustituyó a la loza de barro de los países bajos, ya en el siglo XV. Un poco más tarde, este tipo de material se introdujo en Ingla- terra donde se refinó empleando arcillas más puras que daban un color blanco grisáceo. Este gres como el anterior se esmaltaba con sal, téc- nica que parece provenir de los países bajos.

Con la evolución de las técnicas de fabricación de objetos metálicos por fusión y colado (primero cobre y bronce, luego plata, plomo y hierro), surgió la necesidad de disponer de crisoles y moldes resistentes a altas temperaturas. Primero se usaron rocas graníticas y, luego, al encontrar arcillas de ato punto de fusión (bajo contenido de álcalis), se fabricaron con estas últimas. Nacieron así los materiales cerámicos refractarios, indisolublemente ligados desde su origen a la industria metalúrgica. 1.2. De la edad media a la revolución industrial

Durante la edad media europea, los adelantos técnicos provinieron del mundo árabe. La expansión islámica difundió en todo el mundo la cerámica de Mesopotamia, de Egipto, de Siria de Al Andalus (hoy España) y, principalmente, de Persia, la más desarrollada técnicamente y artísticamente. Persia fue, entre los siglos VIII y XII, uno de los centros cerámicos de alto nivel conectado hacia el oeste con el Cercano Oriente y con el este con India y China; con los chinos los persas mantuvieron un importante intercambio de objetos y técnicas y la porcelana china parece haber tenido imitadores en Persia. El auge de la cerámica moderna comienza en Italia, en el Renacimiento; luego se expande al resto de Europa. Quizás el adelanto más importante en toda la historia de la cerámica fue la producción de porcelana propiamente dicha en China. Se trataba de un nuevo material notablemente superior a la arcilla cocida, más liviana y translúcida que producía un sonido particular al ser golpeado, sus decoraciones que utilizaban los más diversos colores y diseños eran indelebles. Este producto no apareció repentinamente sino que fue un refinamiento gradual del gres durante varios siglos. Unas cuantas piezas de porcelana llegaron a Europa en tiempos de Marco Polo, para envidia y desesperación del alfarero continental que aún producían objetos pocos cocidos. De ahí se comenzaron a realizar grandes esfuerzos para imitarla. Muchas casa reales ofrecían premios y regímenes de promoción (monopolios) ya que los productos fabricados en Europa (loza mayólica) no podían competir en calidad.


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La transferencia de tecnología o el robo de secretos de fabricación eran prácticamente imposibles por el celo con que los chinos protegían sus técnicas, por la distancia y por el idioma, sin olvidar que Europa no conocía una arcilla con las características similares del caolín chino. Los japoneses lograron apoderarse de los secretos de fabricación en el siglo XVII, estimulados por el hallazgo en su país de un yacimiento de caolín similar al chino. La invención de la porcelana verdadera o porcelana dura tuvo lugar en Alemania unos cien años más tarde, por dos alquimistas Ehrenfried Walter von Tschirnhausen y Johannes Friedrich Böttger. Sus investigaciones fueron hechas en Meissen y financiadas por el príncipe Gran Elector de Sajo- nia. Partieron de un caolín descubierto en esa época cerca de Meissen, lo mezclaron con un feldespato y lo cocieron a temperatura más alta que las utilizadas habitualmente en los hornos de cerámica. De los numerosos experimentos obtuvieron un gres por vitrificación de la capa superficial al aumentar la temperatura en la etapa final de cocción. El gres dio origen a una importante industria de revestimientos, cañería para desagües, etc, que se difundió por toda Europa. En 1709 muerto Tschirnhausen, Böttger obtuvo una porcelana muy similar a la china, aunque algo más densa que se llamó “Porcelana verdadera” o “porcelana continental” o “porcelana dura” y que se difundió no sólo para vajilla (porcelana de hotel) sino también para usos químicos y, más adelante, para aisladores eléctricos. Böttger murió en 1719 y pese a la fábrica Meissen en mantener los secretos, estos se fueron difundiendo y se instalaron fábricas en otros países: en primer lugar en Inglaterra y Francia. En Inglaterra durante la mitad del siglo XVIII se inventó un nuevo material, se llamó “Bone China” “porcelana de hueso” porque los huesos (bone) de buey calcinado eran unos de los constituyentes principales. Esta porcelana es muy translúcida y blanca, sigue siendo parte principal de la producción inglesa de vajilla. Cabe señalar que aún las mejores porcelanas europeas actuales no tienen las mismas características que las chinas de aquellas épocas, lo que pone en relieve la importancia de las materias primas utilizado. Otro impulso importante en el desarrollo de los materiales cerámicos, fue la creciente exigencia por parte de la industria metalúrgica y vidriera, con respecto a la resistencia de los materiales refractarios tanto a las altas temperaturas como a la acción corrosiva de los fundidos.


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La revolución industrial comenzó a mediados del siglo XVIII y tuvo como característica más importante la mecanización de los procesos, la sustitución de los artesanos por los especia- listas y la sustitución de la manufactura por la gran industria (líneas de producción). Sin embargo, se reconoce que la industria cerámica clásica avanzó mucho más lentamente que otras ramas de las industriales. Esto puede ser atribuido a la gran dependencia de las características de las materias primas, el escaso conocimiento sobre los procesos térmicos (sinterización y fusión) y las dificultades para producir en grandes series. Todos estos factores tendieron a privilegiar el secreto de fabricación. A fines del siglo XIX y mitad del siglo XX es cuando se produce la gran revolución industrial de los materiales cerámicos, debido a las importantes innovaciones llevadas a cabo en los procesos de fabricación. Por ejemplo: los procesos continuos de cocción a partir del desarrollo del los hornos continuos (de fuego móvil) diseñado por Hoffmann y, luego, lo hornos túneles. Los adelantos ingenieriles fueron acompañados por una profundización de los conocimientos y la aplicación del método científico a la producción. Un ejemplo claro de esto es el caso del químico Alemán Herman Seger (1839-1893) que inventó los conos pirométricos, sistema que permitió un control con gran exactitud de las temperaturas de los hornos en una época que no había instrumento de medición adecuada. Con el advenimiento de la electricidad y la necesidad de materiales aislantes, se desarrollan productos a base de mica y esteatitas y, luego, las porcelanas eléctricas para aisladores de alta tensión. 1.3. Época actual

Sin lugar a dudas, estamos en una época de auge de los materiales cerámicos, con una cantidad y variedad de aplicaciones. Como consecuencia de la revolución científico técnico producida a partir de mediados del siglo XX, han aparecido una gran cantidad de procesos y productos nuevos como los cerámicos avanzados y los materiales compuestos. Los materiales cerámicos avanzados se han convertido en la base del desarrollo de nuevas tecnologías y en insumos de alto valor estratégico para la microelectrónica, los vehículos espaciales, los nuevos sistemas de producción de energía, las biotecnologías y otros campos. Esta revolución ha llevado, también, a un mejoramiento en los procesos productivos de los materiales tradicionales.


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No se puede estudiar ningún material independientemente de los procesos de fabricación, ya que sus propiedades dependen de la tecnología utilizada. Los procesos de fabricación determinan su estructura interna y las características de sus superficies, de ambos parámetros dependen sus propiedades. Por lo tanto, controlando, adecuadamente, las materias primas utilizadas y los parámetros de los procesos se obtiene materiales cerámicos con diversas propiedades. La industria cerámica no fabrica productos finales solamente, sino que producen productos intermedios que sirven de insumos a otras industrias: metalúrgica, eléctrica, electrónica, nuclear, automotriz, etc. Es decir, no hay campo que no se use algún material cerámico incluida la medicina. En todos los casos, las etapas del proceso de fabricación que más influye sobre las propiedades son los tratamientos térmicos. El estudio de los ciclos térmicos y el diseño de los hornos juegan un papel fundamental en la tecnología cerámica.

2 CERÁMICAS TRADICIONALES Y DE INGENIERÍA 2.1 Cerámicas tradicionales Las cerámicas tradicionales están hechas de tres componentes básicos: arcilla, sílice (sílex) y feldespato. La arcilla consta principalmente de silicatos de aluminio hidratados (Al 2O3 · SiO2 ·H2O) con pequeñas cantidades de otros óxidos, como TiO 2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O y K2O. En la tabla 11. 4 se muestran las composiciones químicas de varias arcillas industriales.


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La arcilla de la cerámica tradicional permite la fácil manipulación del material antes de su endurecimiento firme y constituye el principal componente del material. La sílice (SiO2), también llamada sílex o cuarzo, tiene una alta temperatura de fusión y es un componente refractario de las cerámicas tradicionales. El feldespato de potasa (potasio), cuya composición básica es K2O · Al2O3 · 6SiO2, tiene una baja temperatura de fusión y forma un vidrio cuando la mezcla de cerámica se cuece. Esto hace que los componentes refractarios se unan entre sí.

Los productos estructurales de arcilla, como ladrillos de construcción, tubos de drenaje, loseta de drenaje, tejas y azulejos, están hechas de arcilla natural que contiene los tres componentes básicos. Los productos de loza whiteware, como porcelana eléctrica, para vajillas y artefactos sanitarios, están hechos de componentes de arcilla, sílice y feldespato, cuya composición se controla. En la tabla 11 . 5 se muestra la composición química de algunas lozas whiteware triaxiales. Se usa el término triaxial porque en su composición hay tres materiales principales. Los intervalos típicos de composición de diferentes tipos de whiteware se ilustran en el diagrama de fases ternario sílice-leucita-mullita de la figura 11 . 34. Los intervalos de composición de algunas whitewares se indican con las áreas encerradas en círculos. Los cambios que se presentan en la estructura de los cuerpos triaxiales durante el cocimiento no se conocen por completo debido a su complejidad. La tabla 11 . 6 es un resumen aproximado de lo que ocurre posiblemente durante la cocción de un cuerpo de whiteware.


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La figura 11 . 35 es una micrografía electrónica de la microestructura de la porcelana de un aislador eléctrico. Como se observa en esta micrografía, la estructura es muy heterogénea. Grandes gránulos de cuarzo están rodeados por un cerco de solución de vidrio con un alto contenido de sílice. Se encuentran también agujas de mullita que cruzan residuos de feldespato y mezclas finas de mullita y vidrio. Las porcelanas triaxiales son adecuadas como aisladores para 60 ciclos, pero a altas frecuencias las pérdidas dieléctricas son demasiado grandes. Las grandes cantidades de álcalis que se derivan del feldespato y se usan como fundente aumentan la conductividad eléctrica y las pérdidas dieléctricas de las porcelanas triaxiales.

Figura 11.34

Áreas de las composiciones de whiteware triaxial mostradas en el diagrama de equilibrio de fases de sílice-leucita-mullita. (W. D. Kingery, H. K. Bowen y D. R. Uhlmann, “Introduction to Ceramics”, 2a. ed., Wiley, 1976, p. 533.)


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Figura 11.35

Micrografía electrónica de la porcelana de un aislador eléctrico (réplica de sílice grabada 10 s, 0°C, 40% HF). (S. T. Lundin, como aparece en W. D. Kingery, H. K. Bowen y D. R. Uhlmann, “Introduction to Ceramics”, 2a. ed., Wiley, 1976, p. 539.)


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2.3 Cerámicas de ingeniería En contraste con las cerámicas tradicionales que se basan principalmente en arcilla, las cerámicas de ingeniería o técnicas son principalmente compuestos puros o casi puros, de óxidos, carburos o nitruros sobre todo. Algunas cerámicas de ingeniería importantes son alúmina (Al 2O3), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC) y circonia (ZrO 2) combinados con otros óxidos refractarios. Las temperaturas de fusión de algunas cerámicas de ingeniería se muestran en la tabla 11 . 1, y las propiedades mecánicas de algunos de estos materiales aparecen en la tabla 11 . 7. A continuación se ofrece una breve descripción de varias propiedades, procesos y aplicaciones de algunas cerámicas de ingeniería importantes. Alúmina (Al2O3)

La alúmina se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza que pueden ser usados a altas temperaturas, y en la actualidad tiene una amplia aplicación. Un ejemplo clásico de la aplicación de la alúmina es como material aislante para bujías de encendido (figura 11 . 28). El óxido de aluminio se impurifica comúnmente con óxido de magnesio, comprimido en frío y sinterizado, lo que produce el tipo de microestructura que se ilustra en la figura 11 . 36. Obsérvese la uniformidad de la estructura del grano de alúmina comparado con la microestructura de la porcelana eléctrica de la figura 11 . 35. La alúmina se usa comúnmente en aplicaciones eléctricas de alta calidad donde se requiere una baja pérdida dieléctrica y alta resistividad.


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Figura 11.36

Microestructura de óxido de aluminio pulverizado sinterizado, impurificado con óxido de magnesio. La temperatura de sinterización fue de 1 700°C. La microestructura está casi libre de porosidad y sólo hay unos cuantos poros dentro de los granos. (Amplificación 500×.) (Cortesía de C. Greskovich y K. W. Lay.) Nitruro de silicio (Si3N4)

De todas las cerámicas de ingeniería, el nitruro de silicio tiene probablemente la combinación más útil de propiedades para ingeniería. El Si 3N4 se disocia significativamente a temperaturas por arriba de 1 800°C y, en consecuencia, no se puede sint erizar directamente. El Si 3N4 se puede procesar por una reacción de enlace en la que el polvo compactado de silicio es nitrurado en un flujo de gas nitrógeno. Este proceso produce un Si 3N4 microporoso de resistencia moderada (tabla 11 . 7). El Si 3N4 no poroso de mayor resistencia se elabora mediante prensado en caliente con 1 a 5% de MgO. El Si 3N4 se estudia para ser usado en partes de máquinas avanzadas (figura 1 . 8 a).


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Carburo de silicio (SiC)

El carburo de silicio es un carburo refractario duro que tiene una notable resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Aunque no es un óxido, el SiC a altas temperaturas forma una película de SiO 2 que protege al cuerpo principal del material. El SiC puede ser sinterizado a 2 100°C con 0.5 a 1% B como auxiliar del proceso. El SiC se usa comúnmente como reforzamiento fibroso para materiales compuestos de matriz metálica y matriz cerámica. Circonia (ZrO2)

La circonita pura es polimórfica y se transforma de la estructura tetragonal en la monoclínica a unos 1 170°C acompañada de una expansión de volumen y, p or tanto, está sujeta al agrietamiento. Sin embargo, combinando la ZrO 2 con otros óxidos refractarios como CaO, MgO y Y2O3, se puede estabilizar la estructura cúbica a temperatura ambiente y se le han encontrado algunas aplicaciones. Combinando el ZrO 2 con 9% MgO y usando tratamientos térmicos especiales, se puede producir circonia parcialmente estabilizada (PSZ) con una tenacidad a la fractura especialmente alta, lo que ha conducido a aplicaciones cerámicas recientes.

3.PROPIEDADES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS Son compuestos químicos.  Sus enlaces iónicos o covalentes les confieren una alta estabilidad y son resistentes a las alteraciones químicas  Las temperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco en comparación con los metales.  Son generalmente aislantes.  Tienen una amplia gama de propiedades mecánicas, pero su comportamiento mecánico real suele ser menos predecible que el de los metales.  Las propiedades físicas de los materiales cerámicos pueden ser medidas y cuantificadas a través de ensayos y pruebas de laboratorio.  Muchas de estas pruebas se hallan normalizadas y cuentan con protocolos exactos que describen la forma de desarrollarlas y llevarlas a cabo. En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos:  Materiales cerámicos tradicionales: Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por 3 componentes básicos: arcilla, sílice y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica.  Materiales cerámicos de uso específico en ingeniería: Las cerámicas ingenieriles por el contrario, están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como oxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), y nitruro de silicio (Si3N4). Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la t urbina del motor 


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de gas, y el óxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un módulo de conducción térmica.

CARACTERISTICAS FISICAS Resistencia mecánica:

El vidrio tiene propiedades mecánicas que lo asemejan, por así decirlo, a los sólidos cristalinos. No es, por lo tanto, dúctil ni maleable. No sufre de formación permanente por acción de un esfuerzo, sino que alcanzado el límite de resistencia se produce su fractura. La rotura se produce siempre por un esfuerzo de tracción, no por compresión. En líneas generales podemos decir que la resistencia intrínseca del vidrio es sumamente elevada, comparable a la del acero. Resistencia térmica:

Ésta es una propiedad importante que se pretende en la mayoría de los vidrios, particularmente en aquellos que, como ocurre en muchos productos alimenticios y medicinales, deban soportar en su utilización cambios de temperatura relativamente bruscos, en especial, en los procesos de lavado, llenado en caliente, pasteurizado, esterilización, uso con comidas, etc. Respecto de esta resistencia, debemos señalar que la rotura no se produce por el cambio de temperatura en sí, sino por el esfuerzo mecánico de tracción provocado por el salto térmico. Éste no es más que un medio para Producir esfuerzos de tracción debido a las contracciones desiguales producidas por el enfriamiento más o menos brusco del ensayo.


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PROPIEDADES Y APLICACIONES DE ALGUNOS MATERIALES CERÁMICOS:

4.PROCESOS DE FABRICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS 4.1PROCESAMIENTO DE POLVOS

La naturaleza de las materias primas tiene un efecto importante en las propiedades finales de los componentes cerámicos. La pureza, distribución de tamaños de partículas, reactividad, polimorfismo, disponibilidad 'f costo deben ser consideradas y controladas con mucho cuidado durante el procesamiento


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de materiales cerámicos. En este capítulo se consideran tipos de materias primas y algunas de las consideraciones más importantes que se deben tener para su acondicionamiento con lo que se optimicen al máximo las diferentes etapas del procesamiento. 4.2Materias Primas

Los cerámicos han sido fabricados durante siglos. Los primeros artículos cerámicos estaban hechos a base de 'materias primas naturales. Las civilizaciones antiguas encontraron que las arcillas minerales adquirían cierta plasticidad cuando se les agregaba agua con lo cual podían ser moldeadas en diferentes formas. Esta forma podía ser secada al sol y endurecida al fuego. La palabra "cerámico" viene de la palabra griega "keramos" una traducción burda seria '•material quemado". Ya que un material cerámico debe ser expuesto a una fuente de calor para que desarrolle al máximo sus diferentes propiedades. Muchas de las materias primas utilizadas por las civilizaciones antiguas continúan cerámicos. A estos productos se les conoce como '"cerámicos tradicionales". Los cerámicos tradicionales están hechos a base de silicatos, con ellos se fabrican principalmente: vidrios, arcillas, cementos, refractarios, tabiques, loza, azulejos, pisos, etc. Normalmente los productos aquí fabricados presentan muchas impurezas y son muy porosos, por lo mismo sus propiedades en general son muy pobres. 4.3Tamaño del polvo

El tamaño y la distribución de tamaños de partícula es importante en el procesamiento de los materiales cerámicos modernos o avanzados como también se les conoce, dependiendo de la técnica de consolidación o de formado empleada para su fabricación. En la mayoría de las ocasiones, el objetivo de la etapa de consolidación es alcanzar el máximo empaquetamiento de partículas y una uniformidad en el mismo, de manera que se tenga un mínimo encogimiento y disminución de porosidad que resultan de la densificación. Un tamaño único de panículas no produce un buen empaquetamiento. El mayor empaquetamiento que se alcanza al manejar partículas de un solo tamaño, resulta en un 30'1. de espacios abiertos entre las mismas. Si se agregan panículas de tamaños equivalentes a los espacios mayores, el contenido de espacios vacíos se reduce a un 26%. 4.4Molienda de bolas

La distribución de tamaños normalmente no puede ser obtenida simplemente mediante el cribado o la clasificación de la materia prima, por lo que normalmente es requerida una reducción de tamaños. La molienda de bolas es una de las formas de reducción de tamaño más ampliamente utilizadas. La molienda de bolas consiste en colocar los polvos a moler dentro de un contenedor cilíndrico, dentro del cual hay medios de molienda (bolas, cilindros o barras) y se hace rotar al cilindro sobre unos ejes horizontales de manera tal. Que los medios de molienda caen en forma de cascada triturando de esta manera el polvo que se colocó dentro del molino. La velocidad del molino está determinada por el tamaño relativo de éste, la gravedad específica y la dureza


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del polvo y de los elementos de molienda. Los siguientes elementos son usados comúnmente como medios de molienda: WC, acero, zr01, AbO) y Si02. 4.5Molienda en atricionador

La Figura 22 muestra el esquema de un molino atricionador. Éste es similar al molino de bolas ya que es un cilindro que se encuentra lleno con elementos de molienda, pero la diferencia aquí estriba en que el molino no es el que rota de manera tal que los medios de molienda se hacen girar por medio de una barra vertical con brazos en los lados. Diferentes investigadores han reportado que la molienda es mucho más rápida y efectiva que en un molino de bolas, ya que se alcanzan tamaños de partículas más pequeños en menores tiempos y por lo tanto la contaminación disminuye. Por otro lado, la molienda se puede llevar a cabo en húmedo, en seco y con una atmósfera controlada ya sea inerte, reductora, oxidante e incluso al vació.

4.6 Molienda vibratoria

La molienda vibratoria es substancialmente diferente de la molienda de bolas o en atricionador. Aquí la energía para la conminación de [as panículas se da a través de vibraciones o agitaciones mecánicas. El polvo es colocado en una cámara estacionaria, junto con los medios de molienda y un líquido. Entonces se arranca el molino originándose una vibración a través de la cámara hacia el polvo y a los medios de molienda. Esto resulta en dos tipos de movimiento. El primero, causa una cascada o acción de mezcla de todo lo que hay dentro de la cámara. El segundo causa impactos locales y la fractura del polvo ubicado entre los medios de molienda. En la Tabla 9. Se presentan algunos de los métodos más comunes de medición de tamaños de partícula y el intervalo de operación de cada uno de estos.

4.7 Preconsolidación

La importancia de que el polvo reúna un tamaño determinado ya se mencionó que es para que el producto final presente sus máximas propiedades. Sin embargo, también el tamaño del polvo es importante para la etapa de compactación a través de la cual se puede adquirir la f orma final deseada. Para que el producto fina presente propiedades uniformes, el polvo usualmente requiere de un tratamiento especial antes de su compactación. Los pasos de preconsolidaci6n son esenciales para minimizar defectos muy severos que pueden ocurrir durante la fabricación. Por ejemplo, un polvo que no fluye libremente puede provocar una mala distribuci6n del mismo dentro del dado Y una distorsión de éste o por otro lado puede resultar en una variaci6n de densidad en el producto final. De manera similar, un control impropio de la viscosidad de una solución de colada puede resultar en un llenado incompleto del molde o en una variedad de diferentes defectos durante el colado. Un inadecuado de aireamiento de una solución o una pasta de inyección pueden


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resultar en espacios vacíos que limitan la resistencia en el producto final obtenido por un método de estos. A continuaci6n se describe brevemente algunas de las principales funciones de los aditivos usados durante las etapas de pre consolidación del polvo. 4.8 Aditivos

Los aditivos son requeridos por diferentes razones, dependiendo del proceso especifico de formado. Sin embargo. Se pueden hacer varios comentarios generales que son importantes en las diferentes etapas de formado. l. Los aglutinantes son necesarios para proveer resistencia en el cuerpo en verde (compacto sin sinterizar) para su manejo, maquinado en verde y algunas otras operaciones previas a su densificación. 2. Los lubricantes son necesarios para disminuir la fricción entre partículas y de éstas con la herramienta durante la compactación. 3. Los aditivos de sinterización se agregan para activar la densificación. 4. Los de floculantes, plastificantes, agentes de mojado y los termoplásticos se agregan para obtener las propiedades geológicas (flujo) necesarias para obtener piezas con formas especificas mediante el vaciado de suspensiones en moldes. 4.9 Formado por presión

El formado por presión es un método simultáneo de compactación y formado de un polvo que se puede llevar a cabo dentro de un dado rígido o de un molde flexible. El polvo normalmente contiene algunos aditivos como aglomerantes y lubricantes. El proceso de formado por presión es uno de los métodos de formado de cerámicos más ampliamente utilizado ya que a través del mismo se puede obtener una amplia variedad de formas y tamaños de materiales con buenas características dimensionales. Dentro de los principales productos fabricados por este proceso se pueden mencionar una amplia variedad de cerámicos magnéticos y dieléctricos, varias alúminas técnicas dentro de las cuales se encuentran las bujias de los autos, los cerámicos ingenieriles tales como las herramientas de corte y 105 sensores refractarios, productos de porcelana y azulejos, ruedas de molienda y muchos más. 4.10 Variables del proceso de prensado uníaxial

Las etapas del prensado unlaxial son: (1) el llenado del molde, (2) la compactación y formado y (3) la extracción de la pieza. Cada una de estas etapas es importante en la obtención de una pieza sana después del prensado y es importante llevarlas a cabo con cuidado ya que pueden originar defectos que se verán al final de la etapa de producción del cerámico o desde la misma extracci6n de la pieza prensada del dado. 4.11Prensado isoslálico

El prensado isostático implica la aplicación de una presión igual en todos los lados del polvo a compactar. Esto reduce sustancialmente los problemas de no uniformidad debido a la acción entre las paredes del dado y el polvo y permite la formación de compactas uniformes en una buena diversidad de formas y


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tamaños. Un esquema de los diferentes pasos para la compactación de un polvo es mostrado en la Figura 28. Aquí el polvo se coloca en un molde de caucho a prueba de humedad y se sumerge dentro de un fluido incompresible que puede ser glicerina, aceite hidráulico o agua. El fluido es presurizado, transmitiendo la presión uniformemente a toda la superficie del molde conformando as! El polvo. Después se libera la presión y se extrae del molde el compacto formado. La primer desventaja: presenta este proceso es la baja productividad del mismo y la dificultad de obtener piezas con tolerancias dimensionales muy limitadas, asimismo, el problema en la obtención de un buen acabado superficial. Recientemente se han desarrollado moldes de materiales sintéticos, en los que al aplicar una presión uniforme al polvo, éste no se deforma de manera tal que el acabado superficial y la tolerancia de las piezas prensadas se mejora.

4.12 Vaciado de suspensiones

El vaciado de suspensiones es un proceso en donde un material pulverulento es suspendido en una forma estable en un líquido apropiado que servirá como vehículo para su transporte. La suspensión resultante es vaciada en un molde absorbente. Que debe tener la capacidad suficiente de absorber todo el líquido de manera tal que se obtenga una pieza con la forma del molde la cual se secará y se sinterizará posteriormente de una manera adecuada. En la actualidad los requerimientos ingenieriles demandan propiedades mejores que las que se encuentran en materiales cerámicos o metálicos comunes. Una parte de la respuesta a este problema es en el desarrollo de nuevos materiales. Desafortunadamente los materiales resistentes a altas temperaturas son característicamente frágiles y eso complica su proceso de formado. El uso de substancias en forma de polvos, elimina muchas de las dificultades asociadas con el conformado de materiales frágiles. Así entonces el vaciado de suspensiones se convierte en un proceso conveniente para la formación de materiales frágiles. Este proceso es ampliamente empleado en donde se necesita fabricar piezas con formas muy complejas o en donde los costos de producción impiden el uso de los costosos dados para el prensado.

5.PROCESO PARA VIDRIOS CERAMICOS 5.1 Formado de cintas

Algunas aplicaciones de los cerámicos como en el caso de los substratos electrónicos, los intercambiadores de calor y de equipos de control de contaminantes se requieren materiales con formas de aletas o placas muy delgadas. El proceso de formado de cintas se ha desarrollado ampliamente para satisfacer estas formas cerámicas. En la Figura 31 se presentan esquemas de métodos de formado de placas delgadas o cerámicos estructurales con paredes delgadas por medio del proceso de formado de cintas. El proceso conocido como doctor-blade (cuya


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traducción al español sería bisturí de doctor) está bien establecido para la fabricación de capacitores, substratos aislantes, ferritas de memoria y para substratos catalíticos. Éste proceso consiste en el vaciado de una suspensión sobre la superficie de un material transportador en movimiento (usualmente de una película delgada de acetato de celulosa, leflón o celofán); la solución se dispersa bien sobre el medio de transporte controlando el espesor deseado de la pieza final por medio del filo de una navaja o bistwí (de donde resulta el nombre del proceso). Posteriormente la suspensión es cuidadosamente secada, formándose así una cinta delgada y flexible la cual puede ser conada o estampada a una forma deseada previa a su sinterización. Este proceso aparentemente es muy simple. Sin embargo requiere de un control muy cuidadoso del manejo de los materiales y las condiciones del procesamiento ya que de 10 contrario se obtendrán sólo piezas defectuosas.

6.PROCESOS PARA CERAMICOS DE PRODUCTOS DE ARCILLA

1º.- Prospección del yacimiento arcilloso. Consiste en realizar un estudio, un sondeo del yacimiento, entendiéndose por tal un reconocimiento que se hace del suelo para analizar y determinar sus propiedades, características y condiciones. Esta operación consiste en realizar una perforación del terreno arcilloso y realizar la extracción de una serie de muestras que posteriormente se envían y se analizan en el laboratorio, determinando así la naturaleza del material. Con el sondeo se extrae la muestra y se determinan la densidad, composición química, propiedades físicas, humedad, resistencia, etc. 2º.- Extracción del material del terreno. La extracción puede realizarse por medios mecánicos, con retroexcavadoras, palas cargadoras, y si el terreno es duro y compacto la extracción se debe realizar con voladura. 3º.- Transporte a fábricas en camiones, dumpers y semirremolques. 4º.- Preparación del material. Esta fase consta de las siguientes operaciones: Depuración o desbaste, que consiste en la eliminación de sustancias inutilizables. División, que consiste en reducir a pequeños fragmentos las arcillas. Homogeneidad. Es condición fundamental para obtener un buen producto. Las distintas clases de arcilla o la arcilla y el desgrasante deben mezclarse tan íntimamente como sea posible. - Grado de humedad. Habrá que añadir la cantidad de agua necesaria para la aplicación de posteriores procesos. Meteorización. Consiste en someter a la arcilla una vez excavada a la acción de los agentes atmosféricos. Se coloca la arcilla en capas junto con el desgrasante, quedando a la intemperie y sufriendo, por el agua de las lluvias o de regado, un lavado que disuelve y elimina determinadas sustancias y desintegra los terrones.


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- A veces se hace la maduración y la levigación, para piezas especiales, de mucha calidad, consistente en obtener muchísima más homogeneidad y limpieza. Tamizado. Se eliminan partículas e impurezas de todas clases que se encuentran en las tierras naturalmente o que son aportadas durante la preparación y transporte. Amasado o mezcla de los componentes según las proporciones. 5º.- Moldeo. El moldeo consiste en dar al material la forma geométrica que va a tener posteriormente. Las dimensiones del molde tienen que ser mayores que las dimensiones definitivas ya que la pieza se contrae durante la cocción. 6º.- Secado. Consiste en eliminar parte del agua de la mezcla. La mezcla tiene inicialmente un porcentaje entre el 20 y el 50% de agua no pudiendo ser reducido a menos del 5%. Debe hacerse gradualmente para evitar bruscas contracciones que producirían el agrietamiento y la inutilización de la pieza. 7º.- Cocción. El objeto de la cocción es convertir una masa moldeada y seca en un material con forma permanente y con resistencias, durabilidad, aspecto y demás propiedades exigibles. La temperatura de cocción de los productos llamados “tierra cocida”, es decir, ladrillos, tejas, bloques de forjados, etc., es del orden de 900 a 1000 °C. Para otros productos como el gres o la loza sanitaria se aplican temperaturas entre 1000 y 1300 °C, mientras que para porcelana y los productos refractarios es mayor de 1300 °C. Cuanto mayor es la temperatura de cocción, mayor será la resistencia mecánica, la dureza superficial, la compactación y la impermeabilidad.


7.EJERCICIOS

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Problema 6:

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8.CONCLUSIONES Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos, no metálicos formados por elementos metálicos y no metálicos unidos primariamente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. En general, la mayoría de los materiales cerámicos son típicamente duros y quebradizos con poca resistencia a los impactos y a la ductilidad. Los cerámicos cuentan con importantes propiedades eléctricas y térmicas con importantes aplicaciones en la industria. Los vidrios son productos inorgánicos cerámicos de fusión que se han enfriado hasta un sólido rígido sin cristalización. Tienen propiedades especiales como transparencia dureza a la temperatura ambiente y excelente resistencia a la mayoría de los ambientes.

FUENTE: Historia de los cerámicos ANDRES PINTO Materiales y materia prima, Saavedra 789. C1229ACE. clasificación WILLIAM F. SMITH AND JAVAD HASHEMI ingeniería de materiales, 4th Edition

Fundamentos de la ciencia e

Procesos de elaboración ENRIQUE ROCHA RANGEL, Introducción a los materiales cerámicos, Azuapotzaluo1ra edición 2005

UAII-

08 CERAMICOS

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